| 研究課題/領域番号 |
24760148
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| 研究種目 |
若手研究(B)
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| 研究機関 | 独立行政法人日本原子力研究開発機構 |
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研究代表者 |
木野 千晶 独立行政法人日本原子力研究開発機構, システム計算科学センター, 研究員 (40465977)
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| 研究期間 (年度) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| キーワード | 配管振動解析 / 乱流 / 流体構造連成シミュレーション / 有限体積法 / 有限要素法 / Immersed Boundary法 |
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| 研究概要 |
本研究の目的は、流路壁面が複雑に振動・変形する条件下での乱流解析を実施し，地震動下の配管内乱流シミュレーションに適した乱流モデルを提案すると共に、提案モデルを用いた地震動下における配管の流体・構造連成シミュレーションにより大規模プラント配管系の振動機構および耐震性に関する知見を得ることである。
初年度は本研究目的の達成に必要な、壁面の複雑な振動・変形を考慮可能な乱流シミュレーション手法の開発に取り組んだ。流動解析アプリケーションとしてOpenFOAMを用い、振動・変形する壁面の取り扱いにおいてはImmersed Boundary法を採用した。本手法を開発する中で、Immersed Boundary法を用いた壁面の設定に、想定以上の処理時間を要することが判明した。壁面設定処理に一定以上の処理時間が必要となる場合、最終年度に計画している大規模な流体・構造連成シミュレーションの実施が困難となる。よって、Immersed Boundary法を用いた壁面設定手法の高速化に取り組み、最大で約20倍程度の高速化を実現した。
V&Vの観点から、開発手法をチャネル乱流解析に適用し、乱流解析において妥当な結果が得られることを確認した。また、強制振動円柱周りの3次元流動解析に適用し、流体構造連成解析において妥当な結果が得られることを確認した。以上から、本手法を乱流シミュレーション、流体構造連成シミュレーションに適用できる見通しを得た。
本手法を用いて壁面が正弦波で変形する乱流シミュレーションに着手した。計算条件としては、過去の解析結果の一つであるMaas and Schumann(1996)らの条件と同一のものとした。本解析は現在実行中であるが、初年度に開発した本手法により、安定的かつ実用的な計算時間内で乱流シミュレーションが可能であることを確認している。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
初年度においては、流路壁面が複雑に振動・変形する条件下での乱流シミュレーション手法の確立、開発手法のValidation&Verification・高速化、直接数値解析を通じた乱流モデルに関する考察を計画していた。
現在までに、流動解析アプリケーションとして、OpenFOAM、振動・変形する壁面の取り扱いにImmersed Boundary法用いた流路壁面が複雑に振動・変形する条件下での乱流シミュレーション手法の確立した。また、チャネル乱流解析、強制振動円柱周りの3次元流動解析に適用することで、開発手法のValidation&Verificationを実施した。また、高速化技術の開発に取り組み、最大で約20倍の高速化を確認した。この高速化技術の開発は、予定以上の開発期間を要したが、最終年度において計画していた流体・構造連成シミュレーションの開発を前倒しで実施した側面もあり、最終年度の開発に要する期間の大幅な短縮が期待できる。
乱流の直接数値解析および乱流モデルの考察は現在実行中であるが、当初の予定通り，地震動下の配管内乱流解析に適した乱流モデルの提案と併せて平成25年度中には終了見込みである。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成25年度においては、昨年度において開発されたシミュレーション手法を用いた、流路壁面が複雑に振動・変形する条件下での乱流解析を実施する。当初の計画通り、地震動下の配管内乱流解析に適した乱流モデルの提案に必要な乱流統計量・現象について検討する。振動・変形条件としては、正弦波を用いた変形を主体に波長・振幅・振動数をパラメータとして複数設定する。また、ランダム振動や過去の地震動を用いた条件により、乱流構造にどのような影響を与えるか検討する。
直接数値解析を用いた乱流解析の検討結果を踏まえて、最も高い精度で地震動下における乱流場を表現可能なLES乱流モデルを見出す。また、壁面の変形・振動が乱流現象に影響を与えるメカニズムを考察し，見出された乱流モデルの物理的妥当性について議論する。
また、有限体積法と有限要素法をカップリングさせた流体・構造連成シミュレーション手法を確立する。流体シミュレーション・構造シミュレーションの両方が大型計算機上で連成して実行可能とするための方法論を確立する。本シミュレーション手法のプロトタイプを開発すると共に、圧力脈動による配管振動解析などに適用することで、開発手法のValidation&Verificationを実施する。
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| 次年度の研究費の使用計画 |
本研究では数十テラ級の膨大なシミュレーション結果が出力されることから、解析用マシンおよびハードディスクをさらに増設するため30万円程度を使用する。
本研究を通じて開発されたImmersed Boundary法をベースとした流体・構造連成シミュレーション手法、壁面が複雑に振動・変形する条件下での乱流解析の検討結果などを公表するための学会出張費・学会参加費に20万円程度を使用する。
研究に必要な書籍やソフトウェアの購入に10万円程度を使用する。
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